Комп’ютерне моделювання термічної дії електромагнітних полів Wi-Fi на людину з використанням FDTDLab

Автор(и)

  • Тамар Нозадзе Тбіліський державний університет імені Іване Джавахішвілі, Тбілісі, Грузія
  • Йенс Хауэйзен Технологічний університет Ільменау, Ільменау, Німеччина
  • Вера Джеладзе Грузинський національний університет SEU, Тбілісі, Грузія

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347024110013

Ключові слова:

ЕМП, FDTD, SAR, модель людини

Анотація

У сучасному світі люди живуть за умов зростаючого електромагнітного (ЕМ) забруднення середовища. Це пов’язано з розвитком та впровадженням сучасних засобів зв’язку — телефонів, комп’ютерів, Wi-Fi, мобільних мереж тощо, що порушує природний ЕМ фон. Очевидно, що тривалий вплив високоінтенсивного електромагнітного поля (ЕМП) може становити небезпеку як для здоров’я людини, так і для всіх живих організмів загалом. Тому питання про вплив ЕМП є сьогодні актуальним, і дослідження в цьому напрямі ведуться активно.

Метою даної роботи є вивчення теплових впливів ЕМП на людину з використанням чисельного моделювання. Розглянуто частоти 2,4 та 6 ГГц, що використовуються в системах Wi-Fi. Для чисельних оцінок використано програмне забезпечення FDTDLab, засноване на методі кінцевих різниць у часовій області FDTD (finite-difference time-domain). FDTD є важливим інструментом для моделювання впливу випромінювання сучасних бездротових засобів зв’язку на біологічні тканини. Використовуючи моделювання, оцінено вплив поглинання ЕМП тканинами людського тіла (жінка та дитина) з точки зору питомої швидкості поглинання SAR (specific absorption rate) та викликаного діелектричного нагріву. Зокрема, розраховані усереднений за масою SAR-1г та SAR-10г, середній SAR для всього тіла, а також значення підвищення температури у всьому тілі людини та її різних частинах. Відповідність результатів правилам безпеки перевірялася в рамках міжнародних стандартів, що регулюють SAR та підвищення температури.

Посилання

  1. IEEE, “IEEE standard for safety levels with respect to human exposure to radio frequency electromagnetic fields, 3 kHz to 300 GHz.” IEEE, Piscataway, NJ, USA, 03-Oct-2005, doi: https://doi.org/10.1109/IEEESTD.2006.99501.
  2. IEEE, “IEEE C95.1-2019, IEEE standard for safety levels with respect to human exposure to electric, magnetic, and electromagnetic fields, 0 Hz to 300 GHz,” 2019.
  3. “Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic, and electromagnetic fields (up to 300 GHz). International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection.,” Health Phys., vol. 74, no. 4, pp. 494–522, 1998, uri: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9525427.
  4. “Guidelines for limiting exposure to electromagnetic fields (100 kHz to 300 GHz),” Health Phys., vol. 118, no. 5, pp. 483–524, 2020, doi: https://doi.org/10.1097/HP.0000000000001210.
  5. M. Abdul-Al et al., “Wireless electromagnetic radiation assessment based on the specific absorption rate (SAR): a review case study,” Electronics, vol. 11, no. 4, p. 511, 2022, doi: https://doi.org/10.3390/electronics11040511.
  6. A. Turgut, B. K. Engiz, “Analyzing the SAR in human head tissues under different exposure scenarios,” Appl. Sci., vol. 13, no. 12, p. 6971, 2023, doi: https://doi.org/10.3390/app13126971.
  7. T. Nozadze, V. Jeladze, R. Zaridze, “Mobile antenna matching study considering different holding positions at 2100 MHz frequency,” in 2020 IEEE XXVth International Seminar/Workshop Direct and Inverse Problems of Electromagnetic and Acoustic Wave Theory (DIPED), 2020, pp. 121–125, doi: https://doi.org/10.1109/DIPED49797.2020.9273363.
  8. T. Nozadze, V. Jeladze, M. Tsverava, V. Tabatadze, M. Prishvin, R. Zaridze, “EM exposure study on an inhomogeneous child model considering hand effect,” in 2017 IEEE First Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON), 2017, pp. 51–54, doi: https://doi.org/10.1109/UKRCON.2017.8100484.
  9. V. Jeladze, T. Nozadze, I. Petoev-Darsavelidze, B. Partsvania, “Mobile phone antenna-matching study with different finger positions on an inhomogeneous human model,” Electromagn. Biol. Med., vol. 38, no. 4, pp. 297–306, 2019, doi: https://doi.org/10.1080/15368378.2019.1641721.
  10. T. Nozadze, K. Henke, M. Kurtsikidze, V. Jeladze, G. Ghvedashvili, R. Zaridze, “Study how the hand affects on the mobile phone dipole antenna matching conditions to the free space at 3700 MHz frequency,” in 2022 IEEE 2nd Ukrainian Microwave Week (UkrMW), 2022, pp. 439–443, doi: https://doi.org/10.1109/UkrMW58013.2022.10037056.
  11. M. Wyde et al., “Report of partial findings from the National Toxicology Program Carcinogenesis studies of cell phone radiofrequency radiation in Hsd: sprague Dawley ® SD rats (Whole Body Exposures).” 26-May-2016, doi: https://doi.org/10.1101/055699.
  12. J. Mydlová, I. Gálová, M. Beňová, “Impact of electromagnetic fields in transport on active implantable medical devices,” Transp. Res. Procedia, vol. 40, pp. 1497–1503, 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.trpro.2019.07.207.
  13. G. Redlarski et al., “The influence of electromagnetic pollution on living organisms: historical trends and forecasting changes,” BioMed Res. Int., vol. 2015, pp. 1–18, 2015, doi: https://doi.org/10.1155/2015/234098.
  14. Z. Szilágyi et al., “Assessment of inflammation in 3D reconstructed human skin exposed to combined exposure to ultraviolet and Wi-Fi radiation,” Int. J. Mol. Sci., vol. 24, no. 3, p. 2853, 2023, doi: https://doi.org/10.3390/ijms24032853.
  15. R. Sánchez-Montero, C. Alén-Cordero, P. L. López-Espí, J. M. Rigelsford, F. Aguilera-Benavente, J. Alpuente-Hermosilla, “Long term variations measurement of electromagnetic field exposures in Alcalá de Henares (Spain),” Sci. Total Environ., vol. 598, pp. 657–668, 2017, doi: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.03.131.
  16. T. Mazloum, S. Aerts, W. Joseph, J. Wiart, “RF-EMF exposure induced by mobile phones operating in LTE small cells in two different urban cities,” Ann. Telecommun., vol. 74, no. 1–2, pp. 35–42, 2019, doi: https://doi.org/10.1007/s12243-018-0680-1.
  17. R. N. Iyare, V. Volskiy, G. A. E. Vandenbosch, “Study of the correlation between outdoor and indoor electromagnetic exposure near cellular base stations in Leuven, Belgium,” Environ. Res., vol. 168, pp. 428–438, 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.envres.2018.08.025.
  18. J. Liu, M. Wei, H. Li, X. Wang, X. Wang, S. Shi, “Measurement and mapping of the electromagnetic radiation in the urban environment,” Electromagn. Biol. Med., vol. 39, no. 1, pp. 38–43, 2020, doi: https://doi.org/10.1080/15368378.2019.1685540.
  19. C. Kurnaz, M. Mutlu, “Comprehensive radiofrequency electromagnetic field measurements and assessments: a city center example,” Environ. Monit. Assess., vol. 192, no. 6, p. 334, 2020, doi: https://doi.org/10.1007/s10661-020-08312-3.
  20. Ç. Kurnaz, B. Korunur Engiz, “Measurement and evaluation of electric field strength in Samsun city center,” Int. J. Appl. Math. Electron. Comput., vol. 4, no. Special Issue-1, pp. 24–24, 2016, doi: https://doi.org/10.18100/ijamec.271016.
  21. J. Keshvari, T. Heikkilä, “Volume-averaged SAR in adult and child head models when using mobile phones: A computational study with detailed CAD-based models of commercial mobile phones,” Prog. Biophys. Mol. Biol., vol. 107, no. 3, pp. 439–442, 2011, doi: https://doi.org/10.1016/j.pbiomolbio.2011.10.001.
  22. E. Conil, A. Hadjem, F. Lacroux, M. F. Wong, J. Wiart, “Variability analysis of SAR from 20 MHz to 2.4 GHz for different adult and child models using finite-difference time-domain,” Phys. Med. Biol., vol. 53, no. 6, pp. 1511–1525, 2008, doi: https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/6/001.
  23. Z. Psenakova, M. Benova, T. Laukova, “Investigation of specific absorption rate (SAR) near model of fetus in uterus,” in 2020 ELEKTRO, 2020, pp. 1–6, doi: https://doi.org/10.1109/ELEKTRO49696.2020.9130308.
  24. ITU, “ITU EMF Guide,” 2011. uri: http://emfguide.itu.int/pdfs/pr208_E.pdf.
  25. A. Taflove, Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method. Artech House, 1995.
  26. H. H. Pennes, “Analysis of tissue and arterial blood temperatures in the resting human forearm,” J. Appl. Physiol., vol. 1, no. 2, pp. 93–122, 1948, doi: https://doi.org/10.1152/jappl.1948.1.2.93.
  27. K. Yee, “Numerical solution of initial boundary value problems involving maxwell’s equations in isotropic media,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 14, no. 3, pp. 302–307, 1966, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.1966.1138693.
  28. P. A. Hasgall et al., “IT’IS Database for thermal and electromagnetic parameters of biological tissues,” Web-site, 2025. http://itis.swiss/database.
  29. “Human models,” Web-site. https://itis.swiss/virtual-population/virtual-population/overview/.
  30. FCC, “Radio Frequency Safety,” Web-site, 2019. https://www.fcc.gov/general/radio-frequency-safety-0#:~:text=The SAR is a value,(1.6 W%2Fkg).
  31. T. Nozadze, J. Haueisen, V. Jeladze, “Assessment of electromagnetic field exposure to humans at 2.4 GHz Wi-Fi frequency,” in 2024 IEEE 29th International Seminar/Workshop on Direct and Inverse Problems of Electromagnetic and Acoustic Wave Theory (DIPED), 2024, pp. 180–185, doi: https://doi.org/10.1109/DIPED63529.2024.10706179.
  32. L. Hardell, “Effects of mobile phones on children’s and adolescents’ health: a commentary,” Child Dev., vol. 89, no. 1, pp. 137–140, 2018, doi: https://doi.org/10.1111/cdev.12831.
  33. J. F. Bakker, M. M. Paulides, A. Christ, N. Kuster, G. C. van Rhoon, “Assessment of induced SAR in children exposed to electromagnetic plane waves between 10 MHz and 5.6 GHz,” Phys. Med. Biol., vol. 55, no. 11, pp. 3115–3130, 2010, doi: https://doi.org/10.1088/0031-9155/55/11/009.
  34. “List of Classifications,” Agents classified by the IARC Monographs. https://monographs.iarc.who.int/list-of-classifications.
  35. D. Leszczynski, “Call for consensus debate on mobile phone radiation and health: Are current safety guidelines sufficient to protect everyone’s health?,” Front. Public Heal., vol. 10, 2022, doi: https://doi.org/10.3389/fpubh.2022.1085821.
Дискретні моделі жіночого та дитячого тіла, використані у дослідженні

##submission.downloads##

Опубліковано

2024-11-25 — Оновлено 2024-11-25

Як цитувати

Нозадзе, Т., Хауэйзен, Й., & Джеладзе, В. (2024). Комп’ютерне моделювання термічної дії електромагнітних полів Wi-Fi на людину з використанням FDTDLab. Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 67(11), 659–673. https://doi.org/10.20535/S0021347024110013

Номер

Том 67 № 11 (2024): Задачі прикладної електродинаміки

Розділ

Оригінальні статті

Ліцензія

Авторське право (c) 2024 Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка

Издатель журнала Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника (сокр. "Известия вузов. Радиоэлектроника"), Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", учитывает, что доступ автора к его статье является важным как для самого автора, так и для спонсоров его исследований. Мы представлены в базе издателей SHERPA/RoMEO как зеленый издатель (green publisher), что позволяет автору выполнять самоархивирование своей статьи. Однако важно, чтобы каждая из сторон четко понимала свои права. Просьба более детально ознакомиться с Политикой самоархивирования нашего журнала.

Политика оплаченного открытого доступа POA (paid open access), принятая в журнале, позволяет автору выполнить все необходимые требования по открытому доступу к своей статье, которые выдвигаются институтом, правительством или фондом при выделении финансирования. Просьба более детально ознакомиться с политикой оплаченного открытого доступа нашего журнала (см. отдельно).

Варианты доступа к статье:

1. Статья в открытом доступе POA (paid open access)

В этом случае права автора определяются лицензией CC BY (Creative Commons Attribution).

2. Статья с последующим доступом по подписке

В этом случае права автора определяются авторским договором, приведенным далее.

  • Автор (каждый соавтор) уступает Издателю журнала «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника» НТУУ «КПИ» на срок действия авторского права эксклюзивные права на материалы статьи, в том числе право на публикацию данной статьи издательством Аллертон Пресс, США (Allerton Press) на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems». Передача авторского права охватывает исключительное право на воспроизведение и распространение статьи, включая оттиски, переводы, фото воспроизведения, микроформы, электронные формы (он- и оффлайн), или любые иные подобные формы воспроизведения, а также право издателя на сублицензирование третьим лицам по своему усмотрению без дополнительных консультаций с автором. При этом журнал придерживается Политики конфиденциальности.
  • Передача прав включает право на обработку формы представления материалов с помощью компьютерных программам и систем (баз данных) для их использования и воспроизводства, публикации и распространения в электронном формате и внедрения в системы поиска (базы данных).
  • Воспроизведение, размещение, передача или иное распространение или использование материалов, содержащихся в статье должно сопровождаться ссылкой на Журнал и упоминанием Издателя, а именно: название статьи, имя автора (соавторов), название журнала, номер тома, номер выпуска, копирайт авторов и издателя "© Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"; © автор(ы)".
  • Автор (каждый соавтор) материалов сохраняет все права собственника материалов, включая патентные права на любые процессы, способы или методы и др., а также права на товарные знаки.
  • Издатель разрешает автору (каждому соавтору) материалов следующее:
  1. Право пользоваться печатными или электронными вариантами материалов статьи в форме и содержании, принятыми Издателем для публикации в Журнале. Подробнее см. политики Оплаченного открытого доступа, подписки и самоархивирования.
  2. Право бесплатно копировать или передавать коллегам копию напечатанной статьи целиком или частично для их личного или профессионального использования, для продвижения академических или научных исследований или для учебного процесса или других информационных целей, не связанных с коммерческими целями.
  3. Право использовать материалы из опубликованной статьи в написанной автором (соавторами) книге, монографии, учебнике, учебном пособии и других научных и научно-популярных изданиях.
  4. Право использовать отдельные рисунки или таблицы и отрывки текста из материалов в собственных целях обучения или для включения их в другую работу, которая печатается (в печатном или электронном формате) третьей стороной, или для представления в электронном формате во внутренние компьютерные сети или на внешние сайты автора (соавторов).
  • Автор (соавторы) соглашаются, что каждая копия материалов или любая ее часть, распространенная или размещенная ими в печатном или электронном формате, будет содержать указание на авторское право, предусмотренное в Журнале и полную ссылку на Журнал Издателя.
  • Автор (соавторы) гарантирует, что материалы являются оригинальной работой и представлены впервые на рассмотрение только в этом Журнале и ранее не публиковались. Если материалы написаны совместно с соавторами, автор гарантирует, что проинформировал их относительно условий публикации материалов и получил их подписи или письменное разрешение подписываться от их имени.
  • Если в материалы включаются отрывки из работ или имеются указания на работы, которые охраняются авторским правом и принадлежат третьей стороне, то автору необходимо получить разрешение владельца авторских прав на использование таких материалов в первом случае и сделать ссылку на первоисточник во втором.
  • Автор гарантирует, что материалы не содержат клеветнических высказываний и не посягают на права (включая без ограничений авторское право, права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам. Автор (каждый соавтор) гарантирует, что их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденциальных сведений (включая государственную тайну). Подтверждением этого является Экспертное заключение (см. перечень документов в Правила для авторов).
  • Издатель обязуется опубликовать материалы в случае получения статьей положительного решения редколлегии о публикации на основании внешнего рецензирования (см. Политика рецензирования).
  • В случае публикации статьи на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems» (Издатель: Аллертон Пресс, США, распространитель Springer) автору (соавторам) выплачивается гонорар после выхода последнего номера журнала года, в котором опубликована данная статья.
  • Документ Согласие на публикацию, который подают русскоязычные авторы при подаче статьи в редакцию, является краткой формой данного договора, в котором изложены все ключевые моменты настоящего договора и наличие которого подтверждает согласие автора (соавторов) с ним. Аналогичным документом для англоязычных авторов является Copyright Transfer Agreement (CTA), предоставляемый издательством Allerton Press.
  • Настоящий Договор вступает в силу в момент принятия статьи к публикации. Если материалы не принимаются к публикации или до публикации в журнале автор (авторы) отозвал работу, настоящий Договор не приобретает (теряет) силу.